巖溶水系統(tǒng)中污染物的遷移與轉(zhuǎn)化機(jī)制

肖　鵬

提要眾所周知，由于防污性能差，巖溶含水層比其他含水層更容易受到污染。其污染物可分為水溶性有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物。對(duì)每一類污染物，其遷移、儲(chǔ)存和最終的排出機(jī)制都是多樣的、復(fù)雜的和相互作用的。為此，研究巖溶水中污染物的遷移和轉(zhuǎn)換機(jī)制對(duì)巖溶水的凈化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：污染物；轉(zhuǎn)換機(jī)制；巖溶含水層

中圖分類號(hào)：F323.213文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、污染物在巖溶含水層中的遷移轉(zhuǎn)化方式

巖溶水系統(tǒng)是一個(gè)包括多種無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的復(fù)雜水-巖體系，污染物進(jìn)入巖溶水系統(tǒng)后會(huì)發(fā)生一系列的變化，通過(guò)各種變化，污染物向以下幾個(gè)方面轉(zhuǎn)化：①分散在水體中，逐漸稀釋；②分解和轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，并消耗水中的溶解氧，使水質(zhì)惡化；③沉淀在底泥中；④富營(yíng)養(yǎng)化。環(huán)境條件不同，污染物遷移轉(zhuǎn)化的方式也不盡相同。

污染物在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和微生物分解過(guò)程，包括對(duì)流彌散、水文地球化學(xué)作用，以及生物的分解作用。從宏觀上講，巖溶區(qū)污染物的遷移方式仍主要根據(jù)其彌散系數(shù)、物理、化學(xué)和生物等特性而發(fā)生變化。其遷移方式主要分為以下幾種：①在非均質(zhì)含水層中，污染物通常按照類似于“手指狀”的平面圖形沿著水流方向前進(jìn)；②對(duì)于污染物可完全發(fā)生在液相以內(nèi)的反應(yīng)，或從其他相而進(jìn)行的溶質(zhì)遷移，都可使?jié)舛劝l(fā)生變化；③污染物在遷移過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列能改變巖溶水系統(tǒng)中污染物濃度的化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化有重大影響；④污染物被吸附作用和其他化學(xué)過(guò)程從水體向介質(zhì)固體部分的傳輸，可促使被阻滯的污染物前鋒面條前進(jìn)速率；⑤污染物在裂隙介質(zhì)中的遷移模式，表現(xiàn)為隨時(shí)間的推移，污染物將更深入地?cái)U(kuò)散到孔隙基質(zhì)中去；如果污染物不是連續(xù)的，則孔隙基質(zhì)中的污染物隨著水通過(guò)裂隙網(wǎng)絡(luò)的稀釋作用，最終將擴(kuò)散回到裂隙開(kāi)口處。這種遷移轉(zhuǎn)化取決于污染物在地下水環(huán)境中的存在形式、富積狀況以及環(huán)境的地球化學(xué)特征。

對(duì)流彌散是污染物在巖溶水系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的遷移方式，是指污染物以溶解態(tài)形式在地下水系統(tǒng)中進(jìn)行的水動(dòng)力彌散。在巖溶管道中是由機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散同時(shí)作用引起的；在巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)中，起主要作用的是機(jī)械彌散，分子擴(kuò)散效果不顯著。

二、病原微生物在包氣帶和含水層中的遷移影響因素

病原微生物在包氣帶和含水層中的遷移能力除了受其存活期長(zhǎng)短影響外，還受到吸附作用和過(guò)濾作用的控制。

（一）機(jī)械過(guò)濾作用。細(xì)菌的大小為0.5～5，病毒的大小為0.22～0.25。研究表明，砂和砂礫對(duì)細(xì)菌以及病毒無(wú)效；粉土可過(guò)濾掉細(xì)菌，但對(duì)病毒過(guò)濾效果不大。

（二）吸附作用。介質(zhì)對(duì)病原微生物的吸附作用主要受介質(zhì)條件（如pH值與電導(dǎo)值、土壤組成、飽水和非飽水環(huán)境）和病原微生物類型的控制。

pH值與電導(dǎo)值：病毒像細(xì)胞一樣，它們所帶的電荷取決于介質(zhì)的pH值。當(dāng)pH值大于7時(shí)，土壤中的病毒均帶負(fù)電，兩者產(chǎn)生斥力，幾乎不吸附，易于遷移；而在酸性土壤中易吸附而不遷移。由于污水的電導(dǎo)大于雨水的電導(dǎo)，所以當(dāng)雨水入滲時(shí)可使原先吸附在土壤的細(xì)菌和病毒解吸，因此雨后常出現(xiàn)地下水病原微生物污染。

土壤組成：土壤組成不同，吸附能力也不同。一般來(lái)說(shuō)，病毒的吸附隨土壤粘粒含量增加而增加。一些研究發(fā)現(xiàn)，紅土（黏土含量占32.5%）截留病毒最有效。鐵的氧化物，特別是磁鐵礦對(duì)病毒有很高的親和力，磁鐵礦和赤鐵礦是最有效的病毒吸附劑。

飽水和非飽水流動(dòng)：一般來(lái)說(shuō)，病原微生物在飽水條件下更易遷移，因?yàn)榉秋査疇顟B(tài)下，水以薄膜的形式存在于土壤顆粒表面或沿空隙壁流動(dòng)，水中病原微生物更接近于土壤顆粒表面，從而增加土壤對(duì)它們的吸附。

病毒類型：病毒的吸附與其種類有關(guān)，有些病毒易被吸附，有些不易被吸附。

綜上所述說(shuō)明，由于病原微生物存活期短，且地下水流動(dòng)緩慢，加上吸附、拮抗作用等，所以地下水病原微生物污染多為范圍有限的局部污染。

三、巖溶水系統(tǒng)中典型污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制

（一）水溶性污染物。水溶性污染物可以任何濃度完全溶于水中。水溶液中無(wú)機(jī)化合物包括氨和硝酸鹽離子，多數(shù)來(lái)源于人類和動(dòng)物的排泄物，可能是最普遍的無(wú)機(jī)污染物；此外，水溶液中還有其他的無(wú)機(jī)水溶性離子，如氯化物和硫酸鹽，以及一些劇毒物質(zhì)，如來(lái)源于工業(yè)廢水中的氰化物。還有一些有機(jī)物也溶于水，如乙醇、羧基酸，苯酚和一些農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)。

水溶性污染物可隨水流動(dòng)，在巖溶含水層中，地下水通過(guò)土壤的分散滲透，經(jīng)過(guò)落水洞和下滲流最終進(jìn)入管道系統(tǒng)。水溶性污染物的濃度應(yīng)該由水源在主管道中與其他水體混合而被稀釋來(lái)確定。由于在暴雨期水體被稀釋，硝酸鹽或其他一些水溶性污染物濃度應(yīng)該減小，盡管暴雨期的水體被稀釋這種現(xiàn)象被觀察到，但在很多情況下觀察到的是污染物在暴雨期的脈動(dòng)現(xiàn)象。有監(jiān)測(cè)資料表明，污染物趨向于在雨水高峰期沿水位曲線上升而達(dá)到最高濃度。受暴雨的稀釋影響，在管道泉中污染物濃度變化較大；而在裂隙泉中硝酸鹽濃度相對(duì)穩(wěn)定，盡管實(shí)際中從一個(gè)泉到另一個(gè)泉硝酸鹽濃度會(huì)變動(dòng)很大。

（二）比水輕的非水溶相液體。比水輕的非水溶相的液體（LNAPLs）浮于水的表面，汽油、柴油、家用取暖油以及一些相關(guān)的石油烴類是最普遍的例子。汽油是一種由分子量低、相對(duì)易揮發(fā)的飽和烴組成的復(fù)雜混合物，也正是芳香烴、苯、甲苯、乙苯以及二甲苯的比例決定了汽油的毒性。

LNAPLs漂浮于地下水面，這種現(xiàn)象已經(jīng)引起了一些突出的環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)?shù)叵滤蚴芏露纬伤習(xí)r，LNAPL也會(huì)集聚在一起并暫時(shí)被截獲。管道系統(tǒng)通常在水位處形成邊槽，因此在管道分支中以及裂縫系統(tǒng)中，LNAPL污染物趨向于向主管道運(yùn)移。在洪水期，邊槽被水充滿，具有自由水面的管道就進(jìn)入管流動(dòng)態(tài)；集聚在邊槽內(nèi)的LNAPL隨水流上升而消散并對(duì)管道頂板產(chǎn)生壓力。管道頂板上的任何洞穴都會(huì)對(duì)LNAPL的運(yùn)移構(gòu)成障礙。如果頂板致密不滲漏，LNAPL就會(huì)被迫以活塞式流動(dòng)繞過(guò)障礙物，一陣陣的LNAPL也就不斷地沿管道流動(dòng)。因此，LNAPL泄漏后不會(huì)立刻在巖溶泉中出現(xiàn)。相對(duì)地，如果頂板上有裂縫，活塞式流動(dòng)驅(qū)使LNAPL沿裂縫向上運(yùn)動(dòng)，蒸汽甚至可以上升進(jìn)入到地表的構(gòu)造體。發(fā)源地的煙霧問(wèn)題和被LNAPLs污染的覆在管道系統(tǒng)上的其他構(gòu)造，在LNAPLs初次溢出很久以后可能還會(huì)溢出。

（三）比水重的非水溶相液體DNAPLs。比水重的非水溶相液體（DNAPLs）沉于水底，大多是氯化合物或阻燃劑，包括一些分子量小、相對(duì)易揮發(fā)的化合物。比水重的有機(jī)液體向表層巖溶下部的遷移途徑有各類裂縫、豎井和豎坑，它們?cè)诤畬又锌赡艿膬?chǔ)存地點(diǎn)包括洞穴、滲流區(qū)的干洞、潛水區(qū)的裂縫以及主要的管道系統(tǒng)，在管道系統(tǒng)中，DNAPLs在水位以下集聚并與碎屑沉積混合而占據(jù)管道。由于密度的不同，DNAPLs能進(jìn)入沉積堆的空隙中，在那里它們可以隱藏很長(zhǎng)一段時(shí)間。

在巖溶地下水盆地邊界附近，地下水位一般比較高，水力梯度由地下水盆地邊界指向管道系統(tǒng)。到達(dá)地下水位的DNAPLs不必沿水力梯度方向隨地下水流向管道系統(tǒng)，但可以繼續(xù)垂直入滲到任何低于局部基準(zhǔn)面的儲(chǔ)存空間中，也可以沿著完全不同于水力梯度方向的傾斜層面遷移。

（四）病原體。由于缺少土壤的過(guò)濾作用，病毒、細(xì)菌、寄生蟲(chóng)和一些較大的原生動(dòng)物很容易在巖溶含水層中遷移，其中糞大腸菌群和糞鏈球菌傳播最廣，它們常作為受到污水和動(dòng)物排泄物污染的指標(biāo)。最受關(guān)注的原生動(dòng)物是賈第鞭毛蟲(chóng)，它從動(dòng)物糞便中以包囊形式釋放出來(lái)，常存在于水體表面，隨滲流進(jìn)入地下水。盡管很久以前就認(rèn)識(shí)到洞穴溪流不能作為飲用水，但事實(shí)上許多洞穴溪流和泉水被用來(lái)作為家庭水源，有時(shí)甚至作為公共水源。由于從下滲流或是由暴雨徑流而進(jìn)入落水洞的補(bǔ)給水缺少過(guò)濾作用，包括致病在內(nèi)的各種微生物很容易進(jìn)入到地下水系統(tǒng)中。典型微生物的大小從不到微米到幾百微米不等，在細(xì)粒沉積物范圍內(nèi)。生物體通過(guò)水中的懸浮物遷移，還可通過(guò)吸附于沉積顆?；蛴袡C(jī)物上而遷移。

（作者單位：深圳市創(chuàng)新投資集團(tuán)）

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